RO C ZN IK I G LEB O ZN A W C ZE TOM LIX NR 2 WARSZAWA 2008: 104-118
ANDRZEJ KĘDZIORA
BILANS W ODNY KRAJOBRAZU KONIŃSKICH
KOPALNI ODKRYWKOWYCH W ZMIENIAJĄCYCH SIĘ
WARUNKACH KLIMATYCZNYCH
WATER BALANCE OF KONIN STRIP MINE LANDSCAPE
IN CHANGING CLIMATIC CONDITIONS
Zakład Badań Środowiska Rolniczego i Leśnego PAN w Poznaniu
A b s tr a c t: T he acceleration o f rate o f clim atic ch an ges all over the w orld is ob served sin ce a few
d ecad es, also in W ielk o p o lsk a region. T h ese ch anges are exp ressed m ain ly by air temperature increase, ch a n g e o f annual distribution o f precipitation and by increase o f freq uency o f w eather extrem es. E sp ec ia lly very warm last decade caused serious ch an ges in w ater balance. T he paper presents the an a ly sis o f ch a n g es o f b asic m eteo ro lo g ica l param eters in W ielk o p o lsk a , e sp e c ia l ly in the r eg io n o f K o n in strip m in e. T he a ss e s sm e n t o f im p a ct o f th e se c h a n g e s on w ater balan ce o f ch o sen ca tch m en ts and the lakes located w ithin these catch m en ts is the m ain goal o f this a n a ly sis. S ig n ifica n t in crea se o f évap otransp iration is the m ain ch a n g e in w ater b alan ce structure. In the fa ce o f non in crea sin g precipitation it lead s to sig n ifica n t lo w erin g o f w ater surface in the lakes as w ell as ground w ater lev el in the catch m ents.
S ło w a k lu c z o w e : klim at, u ży tk o w a n ie terenu, bilans ciep ln y, ew apotranspiracja, b ilan s w odny. K e y w o r d s : clim a te, land u se, heat b alan ce, évapotranspiration, w ater b alan ce.
WSTĘP
Spośród meteorologicznych, fizjograficznych, glebowych i roślinnych czynników kształtujących bilans w odny krajobrazu trzy z nich - decydujące o najw iększej składowej bilansu wodnego - ewapotranspiracji - dopływ lub zapas energii, dostępność wody na parowanie i zdolność ewaporacyjna powietrza, zależą przede wszystkim od warunków klim atycznych. Warunki klim atyczne panujące w zlew ni czy regionie geograficznym zależą od globalnego układu cyrkulacji atm osferycznej i prądów oceanicznych - które to czynniki decydują o kierunku przemieszczania się frontów i układów barometrycznych - oraz częstotliwości napływu nad dane miejsce różnych mas pow ietrza. N apływ w ilg o tn y ch m as atm o sfery czn y ch , g łó w n ie z sek to ra zachodniego, skutkuje zw iększeniem opadów atm o sferyczn ych, zm n iejszeniem strum ienia energii słonecznej dopływającej do powierzchni ziemi oraz obniżeniem temperatury i wzrostem wilgotności powietrza. Prowadzi to w efekcie do zmian bilansu wodnego polegających na zwiększeniu składowej przychodowej - opadów pionowych,
rosy, opadów poziomych i zmniejszeniu składowej rozchodowej - ewapotranspiracji. Napływ suchych mas atmosferycznych, głównie z sektora wschodniego, wywołuje zwykle skutek przeciwny. Tak bywa pod warunkiem, że nie ma istotnych zmian w charakterystyce fizycznej mas atmosferycznych, czyli że nie ma stałej tendencji do zmian podstawowych elementów meteorologicznych wpływających przede wszystkim na proces parowania. Jednak ostatnie dekady lat wykazują zdecydowane zmiany tych elementów polegające na wzroście: temperatury, strumienia energii słonecznej, prędkości wiatru, niedosytu wilgotności powietrza oraz zmniejszaniu się wilgotności względnej powietrza i wzroście sum opadów zimowych kosztem opadów letnich. Wszystko to w powiązaniu z oddziaływaniem użytkowania terenu na procesy wymiany masy i energii pomiędzy powierzchnią czynną a atmosferą, doprowadza do zwiększenia ewapo transpiracji, co przy braku lub nawet niew ielkim w zroście opadów prowadzi do pogorszenia zasobów wodnych zlewni, a szczególnie do obniżenia zwierciadła wód gruntowych i powierzchni lustra wody w jeziorach. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że przy utrzymaniu się obecnych tendencji zmian klimatycznych, warunki wodne tego terenu będą się w przyszłości pogarszać, więc aby uniknąć tego zagrożenia, należy opracować kom pleksową strategię gospodarowania wodą w omawianym regionie.
WARUNKI KLIMATYCZNE WIELKOPOLSKI
Warunki klimatyczne w ostatnich kilku dekadach ubiegłego wieku
Klimat Wielkopolski kształtowany jest przede wszystkim przez masy powietrza polamo- morskiego (59%) napływającego z zachodu, głównie w okresie letnim, późną jesienią i w pierwszej fazie zimy (tab. 1). Powietrze kontynentalne, napływające ze wschodu występuje dwa razy rzadziej (28%), najczęściej wiosną. Powietrze arktyczne i zwrotnikowe występują łącznie w 13% przypadków. Z tych względów klimat rejonu Konina jest umiarkowany, z niezbyt niskimi średnimi temperaturami miesięcznymi w zimie (kilka stopni poniżej zera) i niezbyt wysokimi w lecie od 17 do 20°C [Woś 1994].
TABELA 1. C zęstotliw ość mas atmosferycznych w W ielkopolsce (średnie wartości dla okresu 1 9 5 1 -1 9 7 0 w %) [W oś 1994]
TABLE 1. Frequency o f atmospheric m asses in W ielkopolska (average for period 1 9 5 1 -1 9 7 0 in percent) [W oś 1994] M asa atmosferyczna Atmospheric mass Stycz. Jan. Luty Feb. Marz Mar. Kwiet. Apr. Maj M ay Czerw. Jun. Arktyczna - Arctic 6 8 8 12 10 4
Polarna kont. - Polar contin. 30 39 48 33 31 21
Polarna morska - Polar marine 61 50 38 44 52 67
Zwrotnikowa - Tropical 3 3 6 10 7 8
Masa atmosferyczna Lipiec Sier. Wrze Paźdz. List. Grudz Rok
Atmospheric mass Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Year
Arktyczna - Arctic 1 1 4 6 6 6 6
Polarna kont. - Polar contin. 15 15 26 26 22 29 28
Polarna morska - Polar marine 76 74 60 59 62 61 59
106 A. Kędziora
Wiatr. Kierunki wiatru panujące w rejonie Konina są określone przez kierunki przemieszczania się mas atmosferycznych. Najwięcej jest wiatrów wiejących z sektora SW-NW - od południowo-zachodniego do północno-zachodniego (ok. 50%). Wiatrów wiejących dokładnie z zachodu jest najwięcej w lipcu i sierpniu (ok. 25% przypadków). Wiatry wschodnie są stosunkowo częste w okresie zimy i wiosny. Średnia prędkość wiatru waha się od 2 do 4 m-s"1. Prędkości znacznie przekraczające te wartości występują w okresie od późnej jesieni do wczesnej wiosny. Największe prędkości charakteryzują wiatry wiejące z sektora zachodniego; dochodzą one do 5 m-s-1.
Warunki solarne i zachmurzenie. Do powierzchni ziemi dochodzi w ciągu roku około 3700 M J-irf2, a saldo promieniowania, czyli ta ilość energii, jaka pozostaje w środowisku po zbilansowaniu wszystkich strumieni promieniowania, waha się wokół wartości 1300 MJ-m'"2. Z tego od 55% (ugór) do 90% (lasy wilgotne) wykorzystywane jest na parowanie wody, od 7% (lasy wilgotne) do 40% (ugór) na ogrzewanie powietrza i od 2 do 5% na ogrzewanie gleby. Największe dobowe wartości salda promieniowania mogą wystąpić w czerwcu i nie przekraczają wartości 17 MJ-m-2. Oznacza to, że na terenie Wielkopolski nie może z większego obszaru wyparować w ciągu doby więcej niż warstwa wody miąższości 7 mm (7 litrów z każdego metra kwadratowego), gdyż na wyparowanie 1 litra (kilograma) z jednego metra kwadratowego potrzeba około 2,45 MJ. Jedynie w sytuacji, gdy w ośrodku parującym (np. zbiornik w odny) zgromadzona jest duża ilość energii cieplnej, parowanie może być dużo wyższe. Parowanie z kanałów odprowadzających wody chłodnicze może być od 2 do 3 razy większe niż parowanie z naturalnych zbiorników wodnych.
Rok - Year
R Y SU N EK 1. Przebieg średniej rocznej temperatury powietrza w Kole, okres 1951-2006, trend nieliniowy FIGURE 1. Course o f mean annual temperature at Koło, period 1951 -2 0 0 6 , nonlinear trend
TABELA 2. Średnie miesięczne temperatury powietrza [°C ] w 5 m iejscow ościach w W ielkopolsce w okresie 1 9 7 1 -2 0 0 0
TABLE 2. M ean monthly air temperature [°C ] in 5 sites in W ielkopolska in period 1 9 7 1 -2 0 0 0 [Farat 2 0 0 4 ]
M iejs c o w o ść Site
M iesiąc - M onth
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Rok
Piła -1 ,7 -0 ,9 2 ,4 7,1 12,9 16,0 17,8 17,1 12,3 7 ,7 2,8 -0,1 7,8 K oło -1 ,6 -0 ,8 2 ,9 7,7 13,4 16,4 18,0 17,7 13,0 8,2 3 ,0 0 ,0 8,2 Słupca -1 ,6 -0 ,8 2,9 7,6 13,3 16,2 17,9 17,5 12,9 8,1 2 ,9 0 ,0 8,1 Poznań -1 ,2 -0 ,5 3 ,2 7,7 13,5 16,4 18,3 17,7 13,0 8,2 3,2 0,3 8,3 Leszno -1 ,2 -0 ,3 3,4 7,7 13,4 16,3 18,1 17,5 13,0 8,2 3,2 0 ,4 8,3 Kalisz -1 ,5 -0 ,5 3,1 7,8 13,5 16,4 18,1 17,8 13,1 8,4 3,1 0,1 8,3
Średnie wieloletnie liczby godzin usłonecznienia rzeczywistego wahają się od 1500 do 1600. W poszczególnych latach wahania liczby godzin usłonecznienia bezwzględnego odbiegać mogą od podanych średnich wieloletnich nawet o 200 godzin. W miesiącach od maja do sierpnia usłonecznienie miesięczne przekracza 200 godzin, natomiast w miesiącach od listopada do lutego waha się od 30 do 60 godzin. Latem mamy więcej dni słonecznych niż zimą. Usłonecznienie względne jest największe w okresie od maja do września, przekraczając wartość 40%, natomiast w okresie od listopada do lutego osiąga zaledwie 20%. W okresie od maja do września usłonecznienie względne waha się od 40 do 45%, podczas gdy w okresie od listopada do lutego jest mniejsze od 20%.
M aksim um zachm urzenia notowane jest w listopadzie (78% ), a m inim um we wrześniu (52%). Największa liczba dni pogodnych (zachmurzenie mniejsze niż 20%) w ystępuje w m arcu, kw ietniu, w rześniu i październiku (od 5 do 7), natom iast najmniejsza (2 dni) w listopadzie, grudniu i lutym. Liczba dni pochmurnych (zachmu rzenie większe od 80%) jest największa w listopadzie, grudniu i styczniu (od 17 do
19), a najmniejsza w czerwcu, sierpniu i wrześniu (od 6 do 7).
Termika. Chociaż zmienność temperatury powietrza na terenie Wielkopolski nie jest zbyt duża to jednak tereny północne (średnia roczna temperatura powietrza w Pile wynosi od 7,6°C do 7,8°C) są chłodniejsze od pozostałej części, gdzie temperatura średnia roczna wynosi od 7,8°C do 8,3°C (tab. 2 i tab. 3). Najwyższe temperatury powietrza notuje się w lipcu, od 17,7°C do 18,2°C, a najniższe w styczniu, od -1 ,6
TABELA 3. Średnie i ekstremalne temperatury powietrza w wybranych stacjach i miesiącach w okresie 1 9 7 1 -2 0 0 0
TABLE 3. M ean and extreme air temperature in chosen sites and months in period 1 9 7 1 -2 0 0 0 M iejsco
w o ść Site
Temperatura pow ietrza - Air temperature [°C] Średnia miesięczna Mean monthly Średnia minimalna Mean minimum Średnia maksymalna Mean maximum
year I IV VII X year I IV VII X year I IV VII X
Piła 7,8 -1 ,7 7,1 17,8 7,7 3,6 -4 ,2 2,0 11,9 4 ,2 12,3 1,2 12,9 2 3 ,4 12,4 K oło 8,2 -1 ,6 7,7 18,0 8,1 4,5 -3 ,9 3,4 13,0 5,2 12,5 1,0 12,9 23,3 12,6 Konin 8,2 -1 ,6 7 ,7 18,1 8,2 4 ,2 -3,7 3,1 12,4 4 ,8 12,7 1,1 13,1 23,5 12,8 Poznań 8,3 - 1 ,2 7,8 18,2 8,2 4 ,4 -3,6 2,9 12,7 4 ,9 12,8 1,5 13,3 2 3 ,7 12,8 Leszno 8,3 - 1 ,2 7,7 18,1 8,2 4 ,0 -3,9 2,6 12,1 4 ,6 13,2 1,9 13,5 2 3 ,9 13,4 K alisz 8,3 -1 ,5 7,8 18,1 8 ,4 4 ,6 -3,8 3,5 12,7 5,1 12,7 1,3 13 2 3 ,6 12,9
108 A. Kędziora
Rok - Year
FIGURE 2. Course o f annual sums o f precipitation in Koło, period 1 9 5 1 -2 0 0 6
w centralnej części do -2,8°C w części wschodniej i południowej (tab. 2). Największe wahania średniej miesięcznej temperatury powietrza notuje się w lutym - dochodzą one do 14°C, podczas gdy w lipcu spadają do 5°C. Temperatury maksymalne latem sięgają 38°C, a tem peratury m inim alne spadają do -3 0 °C . Średnie m iesięczne m inim alne, jak i m aksym alne tem peratury pow ietrza są najniższe na północy, a najwyższe na południu (tab. 3), różniące się w granicach jednego stopnia. Średnie miesięczne maksymalne temperatury powietrza wahają się od 0,9°C w styczniu do 23,9°C w lipcu, natomiast średnie miesięczne minimalne temperatury zmieniają się od - 4,3°C w styczniu do 13,0°C w lipcu (tab. 3). Średnia liczba dni z tem peraturą maksymalną powietrza poniżej 0°C waha się od 34 w rejonie Wielichowa do 40 w rejonie Gniezna. W ostatnich dekadach lat obserwujemy w Wielkopolsce tendencje wzrostu temperatury. Szczególnie istotny jest fakt bardzo szybkiego wzrostu tempe ratury począwszy od roku 1980 (rys. 1).
Opady i wilgotność powietrza. Opady są najbardziej zm iennym elem entem m eteorologicznym . Zarówno ich sumy m iesięczne, ja k i roczne zm ieniają się w zależności od okresu, dla którego się je wylicza. W centralnej W ielkopolsce sumy roczne wahały się od 580 mm do 655 mm w różnych okresach. Najwyższe opady występują w lipcu, a najniższe w lutym. Średnia roczna suma opadów dla okresu od 1881 do 1995 wynosi około 600 mm (tab. 4). Są to sumy skorygowane, uwzględ niające nieuniknione błędy pomiarowe, bardzo przybliżone do opadów rzeczywistych. Są one na terenie Wielkopolski o około 15% większe niż opady pomierzone na stacjach meteorologicznych. W wartościach bezwzględnych wynosi to około 75 mm, a więc jest przybliżone do średniej miesięcznej sumy opadów w okresie letnim. Nieco więcej opadów notuje się w rejonach północnych Wielkopolski niż w jej pozostałej części. Najniższe występują w dorzeczu Wełny, Pakości, Mogilnicy i Kanału Mosińskiego.
TABELA 4. M iesięczne i okresow e sumy opadów [mm] w różnych okresach w Poznaniu TABLE 4. Monthly and seasonal sums o f precipitation [mm] in different periods in Poznań M iesiące - Month
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
39 32 35 43 56 62 82 71 51 43 42 38
Średnie roczne (R) i średnie w okresie wegetacyjnym (W ) opady w latach M ean annual (R) and mean in vegetation season (W ) precipitation in years 1 8 8 1 -1 9 3 0 1 9 2 1 -1 9 7 0 1 9 5 1 -1 9 7 0 1 9 7 1 -1 9 8 5 1 8 8 1 -1 9 9 5
R W R W R W R W R W
581 410 610 434 655 453 590 4 1 0 59 4 4 1 0
W tabeli 5 przedstawione są opady skorygowane dla wybranych miejscowości w Wielkopolsce. Korekcja opadów została dokonana zgodnie z propozycją Chomicza [1976] i P asław skiego [1992]. Dla trzech uw zględnionych m iejscow ości opady skorygowane w ahają się w granicach od 593 mm w Kleczewie do 621 mm w Lesznie (tab. 5). Opady w Kleczewie są identyczne z opadami w Poznaniu i nie widać tendencji zmian w ostatnim półwieczu (rys. 2).
Wilgotność powietrza na terenie Wielkopolski jest mało zmienna. Ciśnienie pary wodnej waha się od około 4 mm w zimie do około 16 mm latem. Wilgotność względna zmienia się od około 70% w maju i czerwcu do 90% w listopadzie i grudniu. Średnie miesięczne wartości niedosytu wilgotności powietrza zawierają się w przedziale od około 1 mm zim ą do 7 mm latem. Jednak w południe w czasie ciepłych i suchych dni wilgotność względna może spadać do dwudziestu kilku procent, a niedosyt wilgotności powietrza przekraczać 20 hPa.
Odpływy. Na tle innych regionów Polski, Wielkopolska ma najniższe zasoby wodne. Z terenu całego kraju, tak samo jak z dorzecza Wisły, 28% wody odpływa do morza. Ale już z dorzecza Odry odpływa 25%, a z dorzecza Warty tylko 23%. Najgorzej sytuacja wygląda w centralnej i północno-wschodniej Wielkopolsce, gdzie odpływa mniej niż 20% opadów.
Ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę i niedosyty wilgotności oraz bogatą szatę roślinną w Wielkopolsce, ewapotranspiracja w okresie wegetacji przewyższa opady. Długość tego okresu dla obszarów rolnych waha się od 40 do 90 dni [Richi 1993]. Wtedy rośliny korzystają z zapasów wody gruntowej, co prowadzi do obniżenia jej
TABELA 5. Skorygow ane sumy opad ów miesięcznych i suma roczna [mm] w 3 m iejsco w ościach w W ielkopolsce, średnie dla okresu 1 9 5 1 -2 0 0 6
TABLE 5. Corrected sums o f monthly and annual precipitation [mm] in 3 chosen site in W ielkopolska, average for the period 1 9 5 1 - 2 006
M iejsc. Site
M iesiące - - Month Suma
Sum
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
K leczew 34 30 35 37 53 68 83 66 52 45 43 47 593
Poznań 36 32 37 41 57 69 82 64 50 42 41 47 597
Leszno 39 33 36 43
____Ji 55_
п о A. Kędziora
Temperatura pow ietrza Air temperature [°C]
N iedosyt w ilgotności powietrza D eficit o f water vapor pressure [hPa] U słonecznienie w zględne R elative sunshine [1] Zachmurzenie Cloudiness [10] W ilgotność względna R elative humidity [%] Prędkość wiatru
R Y SU N E K 3. Przebiegi średnich rocznych wartości podstaw ow ych elem entów m eteorologicznych w okresie 1 9 9 6 -2 0 0 6
FIGURE 3. Course o f mean annual value o f m eteorological parameters in period 1 9 9 6 -2 0 0 6
zwierciadła. Te ubytki wody są uzupełniane w okresie zimowym, kiedy parowanie je st niższe od opadów. Jest to norm alna sytuacja w w arunkach klim atycznych Wielkopolski. Tak się dzieje pod warunkiem, że zimy są chłodne i śnieżne. W wypadku ciepłych, bezśnieżnych zim nie ma warunków odbudowy retencji wody w glebie i wtedy w okresie wegetacyjnym występują poważne deficyty wodne. Prowadzi to do znacznych spadków odpływ u w ody ze zlew ni i do zm niejszen ia dopływ u gruntowego do zbiorników wodnych położonych na terenie zlewni.
TABELA 6. Średnie roczne wartości elementów meteorologicznych z okresu 1996-2006 TABLE 6. Mean annual values of meteorological parameters in period 1996-2006 Rok Year Temp. pow. Air Temp. Ciśnienie pary wodnej Water vapor pressure Wilgotność względna powietrza Relative humidity Niedosyt wilgotności powietrza Deficit of water vapor pressure Prędkość wiatru Wind speed Zachmu rzenie Cloudi ness Usłonecz-nienie Relative sunshine Saldo promienio wania Net radiation [°C] [hPa] [%] [hPa] [m • s '] [10] [1] [W-m2] 1996 7,24 9,51 79,3 2,98 1,99 6,68 0,349 54,3 1997 8,69 9,56 74,3 4,43 2,15 6,16 0,396 57,6 1998 9,20 9,52 74,7 4,46 3,09 7,10 0,311 51,8 1999 9,72 9,99 74,4 4,74 2,73 6,33 0,381 58,0 2000 10,25 10,20 75,1 4,77 2,63 6,43 0,371 58,1 2001 9,11 9,67 76,5 4,11 3,03 6,87 0,332 55,1 2002 9,82 10,48 74,2 4,85 3,78 6,48 0,367 57,7 2003 9,11 9,38 71,3 5,93 2,86 6,03 0,407 58,2 2004 9,06 9,36 72,9 5,18 3,50 6,54 0,361 55,8 2005 9,26 9,40 71,7 5,28 4,74 5,55 0,451 58,5 2006 9,98 9,98 71,8 5,83 5,09 6,01 0,409 61,1
Przeciętny wieloletni bilans wodny w Wielkopolsce jest następujący: opad: od 573 do 613 mm, średnio 595 mm, odpływ: od 80 mm do 112 mm, średnio 95 mm, parowanie: od 462 mm do 532 mm, średnio 500 mm. Na odpływ przypada od 13,1 do 19,5% rocznej sumy opadów. W okresie wegetacyjnym parowanie z terenu użytków rolnych przekracza sumę opadów przeciętnie o 10%, a z terenów lasów wilgotnych o 40%.
Warunki klimatyczne w jedenastoleciu 1996-2006. W okresie ostatnich kilkunas tu lat obserwuje się duże zmiany warunków meteorologicznych. Niezwykle szybki przyrost średniej rocznej temperatury powietrza, od 8,0°C w roku 1980 do 10,0°C w roku 2006 (rys.l), któremu towarzyszy w ostatnim jedenastoleciu spadek wilgotności pow ietrza i w zrost niedosytu, prędkości w iatru i usłonecznienia (tab. 6, rys. 3) spowodował znaczny wzrost parowania terenowego. Temperatura jest tym elementem, który wpływa na intensywność parowania wody, a niedosyt i prędkość wiatru określają zdolność ewaporacyjną powietrza (wielkość E we wzorze Penmana), czyli zdolność atm osfery do w chłonięcia pary wodnej powstającej w wyniku parow ania terenu. Wszystkie te elem enty istotnie rosną w omawianym okresie. Szczególnie ważnym objawem jest fakt wzrostu niedosytu wilgotności z 3,8% w roku 1996 do 5,8% w roku 2006 (według linii trendu). Niezmienność ciśnienia pary wodnej w powietrzu przy silnym wzroście temperatury świadczy o tym, że coraz częściej nad omawiany teren napływają suche masy powietrza. Potwierdza to wykres na rysunku 3, obrazujący zmniejszanie się wilgotności względnej powietrza. Jest to niezwykle duży spadek: z 77% w roku 1996 do 71% w roku 2006. Wzrost zdolności ewaporacyjnej powietrza i wzrost salda promieniowania (rys. 4) skutkują znacznym wzrostem parowania terenowego, a szczególnie parowania ze zbiorników wodnych (lys. 5).
112 A. Kędziora
Przebieg średniego rocznego salda promieniowania C ourse of m ean annual net radiation
P rzebieg zdolności ew aporacyjnej pow ietrza C ourse of atm ospheric w ater vapor dem an d
■no
RYSUNEK 4. Przebieg średnich rocznych wartości salda promieniowania i zdolności ewaporacyjnej powietrza FIGURE 4. Course o f mean annual net radiation and atmospheric water vapor demand
Przedstawiona powyżej analiza wskazuje na niezwykle wysokie tempo przyrostu parowania z powierzchni zlewni, a szczególnie z powierzchni zbiorników wodnych, wynoszące 400 mm w ciągu roku (1000-600, rys. 5.)
w okresie od 1996 do 2006 roku. Tak wysokie parowanie musiało skutkować obniżeniem się zwierciadła wody w jeziorach, chyba że dopływ ze zlewni pokrywałby straty wody w jeziorze.
Bilans wodny wybranych zlewni.
Dla oceny bilansu wodnego omawia nego obszaru wybrano trzy zlewnie (na mapce oznaczone cyframi I, II i III, rys. 6), których charakterystykę struk tury użytkowania gleb zawiera tabela 7. W niniejszej pracy uwzględniono dwie główne składowe bilansu parowania: opady i ewapotranspirację. Wielkości odpływu oszacowano metodą analogii, to znaczy p rzyjęto w spółczynnik odpływ u taki ja k dla zlew ni o
podobnych warunkach klimatycznych i fizjograficznych [Pasławski 1992]. Użytki rolne podzielono na trzy grupy ważne dla obliczania bilansu wodnego: ozime, okopowe i użytki zielone.
R Y SU N E K 5. Przebieg rocznych sum parowania z powierzchni w ody
FIGURE 5. Course o f annual sums o f évapotranspira tion from water surface
METODYKA OBLICZANIA SKŁADNIKÓW BILANSU WODNEGO
Obliczanie parowania z powierzchni wody
W ielkość parowania z powierzchni jezior obliczono dwoma metodami: m etodą Iwanowa dla okresu zimnego (listopad do lutego) i metodą Penmana dla okresu ciepłego [Kędziora 1999]. Obliczenia prowadzono dla okresów miesięcznych.
Bilans wodny krajobrazu konińskich kopalni odkrywkowych 113
Do obliczania parowania tymi metodami potrzebne są następujące dane meteorolo giczne: temperatura powietrza - t [°C], ciśnienie pary wodnej w powietrzu - e [hPa], wilgotność względna powietrza - h [%], niedosyt wilgotności powietrza - d [hPa], prędkość wiatru na wysokości 15 m - v [m-s'1]], usłonecznienie względne - u [1] wartość bezwymiarowa, albedo powierzchni - a [1].
Obliczenia m etodą Iwanowa prowadzi się wg wzoru:
E = 0,0018 (t + 25)2*( 100 - h)
Obliczenia m etodą Penmana prowadzi się wg wzoru:
gdzie: Rn - saldo promieniowania [W-пГ2], Ea - zdolność ewaporacyjna powietrza [W-пГ2], G - strumień ciepła płynący w głąb wody [W-rrT2], A/y - współczynnik, który określa podział wpływu na parowanie czynnika energetycznego (Rn+G) i czynnika aerodynamicznego (Ea).
W spółczynnik ten jest funkcją temperatury i w zakresie od 0°C do 25°C może być wyliczony z równania:
Saldo promieniowania oblicza się według wzoru:
Rn = (l-a )* (0 ,22+0,54/-u)-Ro- 5 , 68* 10"8-T4-(0,5 6 -0 ,08-e°’5)-(0,l+0,9-u) (14.21.)
gdzie: R - irradiacja poza atmosferą [W-пГ2], a - albedo, u - usłonecznienie względne, T - temperatura powietrza w skali bezwzględnej, e - ciśnienie pary wodnej [hPa].
Strumień G wylicza się ze wzoru:
G = (0,107*i3 - 2,43 i2 + 22,9-i - 79,9)-Rn
gdzie: i - numer porządkowy miesiąca w roku.
Zdolność ewaporacyjną powietrza wylicza się ze wzoru:
Ea =7,44-(l + 0 ,5 4 -w)-tf
gdzie: u - średnia dobowa prędkość wiatru na dwóch metrach nad powierzchnią parującą [m-s-1] wyliczana ze wzoru: u = 0,7*v; v - prędkość wiatru na wysokości
W szystkie w artości są średnim i dobowym i. Aby więc w yliczyć parow anie w milimetrach w miesiącu mającym n dni, trzeba zastosować wzór:
E = LE:28,34*n
Obliczanie parowania z powierzchni ziemi. Obliczenia parowania z powierzchni terenu przeprowadzono dla trzech głównych kategorii użytkowania ziemi; dla lasów i dla użytków rolnych podzielonych: na te, które główny okres rozwoju m ają w pierwszej połowie roku (reprezentują je uprawy zbóż ozimych), i na te, których główny rozwój przypada w drugiej połowie roku (reprezentują je uprawy okopowe) oraz na użytki trwałe (reprezentują je łąki). Pierwsza grupa użytków rolnych charakteryzuje się w przebiegu sezonowym znacznie większym strumieniem ciepła utajonego (LE) niż odczuwalnego (S) w okresie wiosennym, natomiast w okresie letnim te strumienie są prawie równe. Druga grupa, odwrotnie, w okresie wczesnej wiosny ma strumienie LE i S prawie równe, natomiast późną wiosną i latem strumień LE znacznie przeważa nad strumieniem S. Dla trzeciej grupy, tylko po pierwszym pokosie strumienie prawie wyrównują się, a poza tym strumień LE jest większy od strumienia S. Dla lasów przez cały okres strumień LE jest znacznie większy od strumienia S. W lasach również strumień ciepła glebowego jest praktycznie do zaniedbania, a strumień jawny jest bardzo mały.
Obliczenia przeprowadzono wg modelu opracowanego w Katedrze Agrometeorologii [Olejnik, Kędziora 1991; Kędziora 1999]. Dane wejściowe do obliczeń to:
- dane meteorologiczne: temperatura powietrza, ciśnienie pary wodnej w powietrzu, niedosyt wilgotności powietrza, prędkość wiatru, usłonecznienie względne i irradiacja poza atmosferą (są to te same dane wejściowe, co w metodzie Penmana).
- dane charakteryzujące powierzchnię ziemi, inne dla każdego typu użytków: albedo (a), faza rozwojowa roślin -- f, której wartość waha się od 0,2 (brak roślin) do 1 (pełny rozwój).
Podstawowy wzór w modelu pozwalający na obliczenie strumienia ciepła utajonego (LE), który jest energetycznym równoważnikiem strumienia pary wodnej brzmi:
Ł£ = _ № L ± 0 ) 0 + «
Wynika on z równania bilansu cieplnego Rn + G + LE + S = 0, po przyjęciu podstawienia, że S/LE = ß (współczynnik Bowena).
Saldo prom ieniow ania wyliczono tak samo jak w m etodzie Penm ana, jedynie wartości albedo (a ) są inne, odpowiednie dla wybranych typów użytkowania. Jest ono funkcją fazy rozwojowej (f) i wylicza się je że wzorów: a = 0,2 + 0 ,0 5 * f- dla użytków rolnych oraz a = 0,15 dla lasów. Strumień ciepła glebowego obliczono wg wzoru:
G = - 0 ,2 - /?Л7 - (1 — 0,75 • / ) • sin 7Г • 0 - 2 )
gdzie: i - numer porządkowy miesiąca, f - faza rozwojowa roślin, współczynnik Bowena (ß) jest wyliczany ze wzoru:
Bilans wodny krajobrazu konińskich kopalni odkrywkowych 115
gdzie: W je s t ag ro m eteorologiczny m w skaźnikiem w y rażający m w pływ na ewapotranspirację warunków meteorologicznych oraz fazy rozwojowej roślin i jest wyliczany ze wzoru:
л , a r t ( - f)
ю о - Ф - у ) 2
/ •( и+ 0,4)
Im większy ten wskaźnik, tym więcej energii słonecznej wykorzystywanej jest na ewapotranspiracj ę.
WYNIKI OBLICZEŃ
W yniki obliczeń parow ania i skorygow anych opadów w om aw ianym okresie wykazują znaczną przewagę parowania nad opadami dla powierzchni wody i lasu (tab. 7). Łąka wyparowuje praktycznie cały opad. Jedynie parowanie z terenów ornych jest mniejsze od opadów. Parowanie z powierzchni wody stanowiło 130% opadów, natomiast parowanie lasu - 120% opadów, a parowanie z pól zaledwie - 87% opadów.
Średnie wieloletnie parowanie potencjalne w okresie 1951-1970 wynosiło około 620 mm [Kędziora 1999]. W każdym omawianym powyżej roku (poza rokiem 1996) parowanie powierzchni wody było wyższe niż wartości wieloletnie w okresie poprzedza jącym omawiany rok.
Obliczenia bilansu wodnego - Qw dla powierzchni wodnych na terenie wybranych zlewni przeprowadzono wg wzoru:
Qw = Opad - Parowanie - Odpływ
TABELA 7. Roczne sumy parowania z różnych powierzchni i roczne sumy opadów w okresie 1 9 9 6 -2 0 0 6
TABLE 7. Annual sums o f évapotranspiration from different land use units and precipitation sums in period 1 9 9 6 -2 0 0 6
Rok Year
Parowanie - Evapotranspiration [mm]. Opad skorygowany
Corrected precipitation [mm] Woda Water Oziminy Winter crops O kopow e Root crops Las Forest Łąka M eadow 1996 610 483 490 642 553 586 1997 725 523 529 718 598 628 1998 753 507 517 680 569 601 1999 755 523 526 723 611 606 2000 772 536 521 731 632 653 2001 727 517 510 695 588 687 2002 850 548 553 750 620 752 2003 881 542 531 754 609 411 2 004 772 518 524 714 599 536 2005 921 544 548 771 621 561 2006 1005 594 580 800 676 657 Suma X 8771 5835 5829 7978 6676 6678 Sred. M ean 797 530 530 725 607 607
Z braku bezpośrednich pomiarów odpływu z analizowanych zlewni oszacowano go na podstawie wzoru:
Odpływ = Opad • współczynnik odpływu
Wybrano najniższą - 0,15 wartość współczynnika podawaną przez Pasławskiego [Pasławski 1992] dla zlewni na terenie Wielkopolski, przy czym średnia jego wartość dla Polski wynosi 0,28. Wyniki obliczeń zawarte są w tabeli 8.
TABELA 8. Wyniki obliczenia bilansu w odnego 3 wybranych zlewni TABLE.8. Results o f calculation o f water balance for 3 catchments Element powierzchni Land-use unit Pow. Area [ha] Składow e bilansu Balance components [mm] Bilans Balance [mm] Parowanie Evapotrans piration - P Opad Précipitât. - Op O dpływ R u n-off - Od O p-P-O d Zlewnia I - Catchment I W ody - Waters 1272 8771 6678 1068 - 3 1 6 1 Lasy - Forests 1680 7978 6678 1068 -2 3 6 8
Użytki rolne - Agric. areas 94 8 9 5961 66 7 8 1068 -3 5 2
W tym - in this ozime - winter crops okopow e - root crops użytki zielone - green crops
6263 1803 1423 5837 5829 6676 6678 6678 6678 1068 1068 1068 -2 2 7 - 2 1 9 -1 0 6 6
Zlewnia - С ate liment 12441 6521 6678 1068 -911
Zlewnia II - Catchment II
W ody - Waters 886 8771 66 7 8 1068 -3 1 6 1
Lasy - Forests 6400 7978 6678 1068 -2 3 6 8
Użytki rolne - Agricul. areas 19915 5961 66 7 8 1068 - 3 5 2
W tym - in this ozime - winter crops o k o p o w e - root crops użytki zielone - green crops
1314 4 3 7 8 4 2 9 8 7 5837 5829 6 6 7 6 6 678 6 678 66 7 8 1068 1068 1068 - 2 2 7 - 2 1 9 - 1 0 6 6 Zlewnia - Catchment 27201 6527 6678 1068 - 9 1 8
Zlewnia III - Catchment III
W ody - Waters 345 8771 6678 1068 -3 1 6 1
Lasy - Forests 250 7978 6678 1068 -2 3 6 8
Użytki rolne - Agricul. areas 9605 5961 6 6 7 8 1068 - 3 5 2
W tym - in this ozime - winter crops okopow e - root crops użytki zielone - green crops
6339 1825 1441 5837 5829 6676 66 7 8 66 7 8 66 7 8 1068 1068 1068 - 2 2 7 - 2 1 9 - 1 0 6 6 Zlewnia - Catchment 10200 6 1 0 6 6678 1068 - 4 9 6
Bilans wodny krajobrazu konińskich kopalni odkrywkowych 117
Dla wyszczególnionych użytków: wody, las i użytki rolne, bilans wodny w okresie 1996-2006 jest ujemny. Jest to głównie wynik silnego wzrostu temperatury powietrza, niedosytu wilgotności powietrza, prędkości wiatru i usłonecznienia względnego. Taka zmiana elementów meteorologicznych, której nie towarzyszył wzrost opadów, skutko wała bardzo dużym wzrostem parowania i w efekcie ujemnym bilansem wodnym. W ielkość niedoborów wody w yniosła około 900 mm w przypadku zlewni I i II (powierzchnia leśna wynosiła odpowiednio 13,5% i 23,5%) i około 500 mm w przypadku zlewni III, typowo rolniczej (powierzchnia leśna stanowiła 2,4%). I tak, np. według opracowania Unickiego i Orłowskiego [2006] poziom lustra wody w jeziorze Budzi- sławskim obniżył się w okresie 1999-2006 o 990 mm (str. 42 opracowanta, tab. 4.5.3). Jest to mniej więcej zgodne z wielkością deficytu wynoszącego 918 mm w zlewni II, na której terenie leży jezioro Budzisławskie (tab. 8). Dla jeziora Suszewskiego obniżenie w tym samym okresie wynosi 1110 mm, a dla jeziora Ostrowskiego i Wójcińskiego odpowiednio 840 mm i 810 mm. Średnie obniżenie poziomu lustra wody tych 4 jezior wynosi 938 mm, a wyliczony w niniejszym opracowaniu deficyt bilansu wodnego dla zlewni II równa się zatem 918 mm. Biorąc pod uw agę fakt, że średnia wartość efektywnej porowatości dla gleb występujących na omawianym terenie odpowiada około 0,2 m3‘*irf3, obliczony dla całej zlewni deficyt wody mógł spowodować obniżenie poziomu wody gruntowej na tym terenie średnio nawet o 4,5 m (0,918:0,2).
PODSUMOWANIE
Powiązane z globalnymi zmianami klimatycznymi anomalia klimatyczne obserwo wane w ostatniej dekadzie lat w Wielkopolsce wywołały bardzo duże niekorzystne zmiany w strukturze bilansu wodnego regionu odkrywkowych kopalni węgla brunatnego w rejonie Konina. Wzmagająca się z roku na rok intensywność parowania ze wszys tkich elementów krajobrazu, przy niezmieniających się zasadniczo opadach, doprowa dziła do znacznego obniżenia zwierciadła wody w zbiornikach wodnych występujących na omawianym terenie i do kilkumetrowego obniżenia zwierciadła wód gruntowych w glebie. Istnieje pilna potrzeba opracowania strategii gospodarowania wodą w tym regionie, obejmującej wszystkie podmioty mające wpływ na warunki wodne krajobrazu tak, aby przy skromnych zasobach wodnych i zwiększonej wymianie atmosferycznej zapewnić utrzym anie przyrodniczo niezbędnych zasobów wodnych i zapewnić ich konieczną ilość dla funkcjonowania gospodarki narodowej w tym regionie.
LITERATURA
CHOMICZ K. 1976: Opady rzeczyw iste w Polsce. Przegl. Geoflz. 2 1,1.
Drainage principles and applications. Inst, for Land Reclamation p.nd Improvement, W ageningen. The Netherlands Vol. II 374 pp and Vol. Ill 364 pp.
FARAT R. 2004: Atlas klimatu w ojew ództw a w ielkopolskiego. IMGW Oddział w Poznaniu, Poznań. ILNICKI P., ORŁOWSKI W. 2006: Ocena oddziaływania odwodnienia odkrywek w rejonie Kleczewa powodo wanych przez Kopalnię Węgla Brunatnego „KONIN” S.A. w Kleczewie, na poziomy wody w jeziorach położonych przy wododziale rzeki Noteci i rzeki Warty. Polskie Towarzystwo Rybackie, Poznań. K ĘDZIORA A., OLEJNIK J. 1996: Heat balance structure in an agroecosystem s. W: D ynam ics o f an
agricultural landscape. L. R yszkow ski, N. French, A. Kędziora (red.). PW RiL, Poznań.
KĘDZIORA A. 1999: Podstawy agrometeorologii. PWRiL, Poznań. Wydanie II, poprawione i rozszerzone. OLEJNIK J., KĘDZIO RA A. 1991 : A model o f heat and water balance estim ation and its application to
PASŁAW SKI Z. 1992: H ydrologia i zasoby w odne dorzecza Warty. K onferencja Naukow a na temat: Ochrona i racjonalne wykorzystanie zasobów wodnych na obszarach rolniczych W ielkopolski, kore- feraty i w nioski. Poznań, grudzień 1991.
RICHI S. 1993: C zasow y i przestrzenny rozkład ewapotranspiracji w W ielkopolsce. Praca doktorska. M aszynopis w B ibliotece Akadem ii Rolniczej w Poznaniu.
W OŚ A. 1994: Klimat N izin y W ielkopolskiej. Wydaw. Nauk. PW N, Warszawa.
Prof. dr hab. Andrzej Kędziora
Zakład Badań środowiska Rolniczego i Leśnego PAN u l Bukowska 19, 60-809 Poznań
